反射式光纤电流传感器毕业设计论文

1、毕业设计（论文）资料设计（论文）题目:反射式光纤电流传感器的分析及设计系部：电子与通信工程系专业：应用物理学学生姓名：班级：一班学号 2007041指导教师姓名：职称讲师最终评定成绩长沙学院教务处二O一年二月制第一部分毕业论文一、毕业论文第二部分过程管理资料一、毕业设计（论文）课题任务书二、本科毕业设计（论文）开题报告三、本科毕业设计（论文）中期报告四、毕业设计（论文）指导教师评阅表五、毕业设计（论文）评阅教师评阅表六、毕业设计（论文）答辩评审表2011 届本科生毕业设计（论文）资料第一部分毕业论文本科生毕业论文反射式光纤电流传感器的分析及设计系部：电子与通信工程系专业：应用物理学学生姓名：班

2、级：一班学号2007041118指导教师姓名：职称讲师最终评定成绩2011年5月长沙学院本科生毕业设计反射式光纤电流传感器的分析及设计系（部）：电子与通信工程系专业：应用物理学学号： 2007041118学生姓名：指导教师：讲师ABSTRACTAs the voltage and curre nt levels in crease, the traditi onal assole noid style curre nt tran sformer cannot satisfy the measureme nt requireme nts. Optical fiber curre nt sen s

3、or as an new power detect ion equipme nt, by its unique adva ntagesa nd has a good prospect in the market.Based on optical fiber current sensor research and applications for background, mainly in reflective optical fiber current sensor in the principle and characteristics of further research. This p

4、aper first discusses the compared with traditi onal sen sors, optical fiber curre nt sen sor has the advantages , Then, at home and abroad optical fiber current sensor of a simple overview of the state, summarizes the adva ntages and disadva ntages of differe nt optical fiber current sensor. Accordi

5、ng to the existing deficiency of optical fiber current sensor, and proposes an reflex of fiber curre nt sen sor, improve the sen sitivity of the optical fiber curre nt sen sor, and an alyses the deep theoreticalresearch. First, the detailed discussi on on Faraday magneto-optic effect, then the basis

6、 of the principle of using Jones matrix, reflective optical fiber current sensor for a theoretical analysis and calculation, obtained reflex current sensor mathematical model. The in flue nce of various factors sen sor measureme nt accuracy, the overall theoretical analysis, and from the Angle of po

7、larization and from every physical process detailed analysis. Finally, the reflex current sensor model in each device design and choice; To further design optical fiber current sensor laid a theoretical foundation.Keywords : Optical fiber current sensor , Jones matrix , Fraday effect目录摘 要 错. 误 !未定义书

8、签。ABSTRACT II第 1 章 绪论 11.1 光纤电流传感器概况及意义 1.1.2 光纤电流器的分类 2.1.2.1 块状玻璃型光纤电流传感器 2.1.2.2 偏振调制型光纤电流传感器 3.1.2.3 相位调制型光纤电流传感器 3.1.3 光纤电流传感器的发展情况 4.1.4 本论文的主要工作 5.第 2 章 光纤电流传感器的基本理论及分析方法 72.1 偏振光 72.2 偏振的 Jones 矩阵分析法 8.2.2.1 偏振光的琼斯矢量表示法 8.2.2.2 正交偏振 1.0.2.2.3 偏振器件的琼斯矩阵表示法 1.02.2.4 偏振光系统的琼斯矩阵分析法 1.32.4 本章小结 1

9、.7.第 3 章 反射式光纤电流传感器模型设计 183.1 结构设计 1.8.3.2 反射式光纤电流传感器的偏振态分析 1.93.3 反射式电流传感器的琼斯矩阵分析 2.03.4 本章小结 2.3.第 4 章 反射式光纤电流传感器器件的选择 244.1光源 2.4.4.2入14延迟器的设计254.3 相位调制器 2.7.4.4 光电探测器 2.8.4.5 本章小结 2.8.参考文献 31致 谢 32第 1 章 绪论1.1 光纤电流传感器概况及意义电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位。近年 来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定

10、 电流都有大幅度的提高 1 。电流和电压的测量在电力工业中起着极为重要的作用，它们 为电力系统提供用订量、控制和继电保护所必需的信息。在计量方面，要求测量装置具 有很高的测量准确度及稳定性，而为了系统保护的需要，要求测量装置测试速度快、反 应迅速。同时，力系统运行的不间断性也对测量装置的可靠性及维护性提出了很高的要 求。目前，对电流的测量主要采用的是以电磁感应原理为基础的电流传感器，这种传 统的电磁感应式电流传感器在应用的过程中，积累了丰富的实践经验，它的各种技术性 能、指标均还保持着一定的优势，同时电磁式电流传感器的原理简单，可靠性高，不易 损坏2 。上述这些优点，是其得以普遍使用的主要原因

11、。但是由于电磁式电流传感器结 构、原理的特性，使得它存在以下几个致命的缺点：(1) 存在绝缘的问题，充油的电磁式电流传感器使用在高压环境时，有可能发生绝 缘击穿，从而引起对地短路或者突然爆炸的危险；(2) 存在磁饱和的问题，电流传感器铁芯在被测量电流异常增大的时候，将出现磁 饱和，这严重影响了电流传感器的测量准确度；(3) 存在电磁干扰的问题，在高压环境中，电磁式电流传感器的电流信号通过导线 传输时将受到严重的电磁干扰，影响测量准确度；(4) 成本问题，电磁式电流传感器的成本随着被测量电流电压等级的增大，成指 数增加。这些电磁式电流传感器的缺点是由其基本结构造成的， 是无法从根本上改变的。 因

12、此，在这种情况下就需要研究新型的电流传感器了，光纤电流传感器就孕育而生了。光纤电流传感正是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的， 光纤电流传感正 是为了克服电磁式电流传感器的缺点而研制的，自七十年代问世以来，受到了各国的广 泛关注3 。与传统的电磁式电流互感器相比，光纤电流传感器具有以下的优点：(1) 绝缘性能非常好，从材料来说：光纤电流传感器所用的材料主要是石 英光纤，它自身就是非常好的绝缘体；(2) 光纤电流传感器的结构中不含有铁芯，因此不存在磁饱和、铁磁谐振等问题， 测量准确度得到了提高。(3) 抗电磁干扰能力强，光纤电流传感器的信号由光来传输，具有抗电磁干扰性， 这样它测量的准确度也

13、能增大，(4) 光纤电流传感器的低压侧不会有因开路而产生高压的危险，从而消除了传统的 电磁式电流互感器易燃易爆的问题。(5) 光纤电流传感器的体积小，重量轻。光纤传感器的传感头，重量小于 I公斤。据 美国西屋公司公布的磁光式345KV光纤电流互感器，其高度为2.7米，总重量为100公斤, 而同等电压等级的充油式电磁式电流传感器，高为 6.1米，重达7718公斤。(6) 适应了电力保护和计量的数字化、智能化及光通信的发展趋势。(7) 测量的动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性。光纤电流传感器从问世至今己40多年，各国科技人员花费了大量心血，提出了各种 各样的实现方法，但有些关键问

14、题至今没有获得圆满解决。虽然也有一些产品问世的报道，但离大规模商业应用还有较大距离。尽管困难重重，人们对光纤电流传感器的期 望始终没有减少，一直在探索新的实现方法和关键技术解决途径，这都是因为与电磁式 传感器相比，光纤电流传感器具有无法比拟的优点。1.2光纤电流器的分类光纤电流传感器从出现以来，就被受到重视。现有的光纤电流传感器按照它的传感 头的不同，可以分为全光型光纤电流传感器、块状玻璃型光纤电流传感器和混合型光纤 电流传感器。1.2.1块状玻璃型光纤电流传感器块状玻璃型光纤电流传感器基本原理是：利用全反射，使线性偏振光通过玻璃材料内 部多次反射，形成环绕通电导体的闭合光路，其结构如图1.1

15、所示。图1.1状玻璃型光纤电流传感器的传感头结构电流1起偏器检偏器也可以实传感光纤激光器起偏器光电探测器122偏振调制型光纤电流传感器123相位调制型光纤电流传感器通过测量线偏振光的法拉第旋转角，从而间接的测量电流。这种电流传感器具有线性范 围宽、稳定性好、精度较高、受光纤线性双折射影响较小等优点；但是存在加工难度大传感头易碎、成本高等缺点，且在光反射过程中不可避免的引入了反射相移，使两两正 交的线偏光变成椭圆偏振光，从而影响系统的性能。光源发出的光经起偏器转变为线偏振光，当线偏振光通过光纤圈时，电流产生的磁 场将使线偏振光产生法拉第旋转，旋转角度与被测电流成正比。图1.3相位调制型全光纤电流

16、传感器的原理图图1.2偏振调制型光纤电流传感器结构偏振调制型也称为非干涉型，它不使用相位调制器，无电流时输出信号为直流量， 通过检测出射光的偏振态旋转角度来确定待测电流的大小。偏振调制型光纤电流传感的基本结构如图1.2所示。兽延迟器相位调制型的全光纤电流传感器是利用外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光 的折射率不同，而线偏振光可以分解为一个左旋和右旋的圆偏振光，因而传播一段距离 后，表现为线偏振光的振动面发生了旋转，而旋转角取决于沿磁场方向传播的右旋圆偏 振光与左旋圆偏振光的折射率之差。因此通过测量左旋圆偏振和右旋圆偏振光传播一段距离后产生的相位差 现电流的测量。如图1.3为相位调制型全光纤电

17、流传感器的原理图。1/4 延迟激光光源发出的光经过起偏器后为线偏振光，通过耦合器分成两路，分别经过 器转换成旋向相同的圆偏振光，分别沿顺时针和逆时针方向通过传感光纤圈，由于法拉 第效应，使得两束圆偏振光的偏振面发生旋转，然后再经过另一个 1/4 延迟器重新转换 成为线偏振光返回偏振器进行干涉。由于干涉的两束光的偏振面旋转的角度大小相等， 方向相反，因此其相位差为两倍的法拉第相移，因此在相同的圈数时的灵敏度为偏振调 制型光纤电流传感器的两倍。只需检测输出光的相位差就能得出待测电流，因此功率波 动对系统的影响比偏振旋转方案小， 即系统稳定性优于偏振调制型方案主要缺点是结构 中包含了 Sagnac环

18、结构，因此很容易受到 Sagnac效应的影响。Sag nac效应与法拉第效应一样都产生非互易相移，检测时分辩不出，从而引起测量 误差，降低系统的稳定性；传感光纤的固有双折射难以处理，由于光纤制备工艺的不完 善，介质中的杂质、 缺陷等破坏了光纤的轴对称性， 以及使用时不可避免的弯曲等原因， 使传感光纤中存在固有双折射 8 。而普通硅光纤的费尔德常数较小，光纤固有双折射引 起的光偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角，为了提高灵敏度，就必须增加传感光纤 圈数，这同时又会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射，从而使传感器灵敏度远远 低于理论预计值。因此，有必要对怎样抑制光纤中的固有双这射的影响进行研究。

19、1.3 光纤电流传感器的发展情况20世纪60年代，在1963年安装在美国俄勒冈州Bonneville电力局（BPA）的230kV电网 上装置“Traser ”，它通过玻璃波导实现了信号传输，这是光纤电流传感器的最初形式。 同时，G. H. Moulton等人设计了一套高压保护装置，采用了光脉冲传输原理。S. Saito 等人进行了超高压电力线电流测量研究 （ 日本），他们采用的是磁光效应原理。可以看 出，这一时期的研究为全光纤电流传感器的发展打下了初步的理论和技术基础，是光纤 电流传感器的兴起阶段，光纤电流传感器理论、方法的试验时期。20世纪70年代，光导纤维制造技术逐步完善，光纤电流传感器因

20、此也得到了迅速发展。人们发现：全光纤型 光纤电流传感器因为具有结构简单、重量轻、形状随意等优点，它一被提出，就成为了 研究者们追求的目标10。 1977年英国电力研究中心的A. J . Rogers和A. M Smith等人 从原理方面对全光纤电流传感器进行了大量的研究， 在实验室对实验装置进行试验并获 得成功，在 1979年成功安装在发电站上，开始试运行，并取得了成功。在此之后，德国 A. Papp等人对全光纤式光纤电流传感器的原理、构成、特性、测量及信号处理等方面， 进行了系统专题研究，取得了较大的成果 11。他们的研究为光纤电流传感器的进一步发 展做出了巨大的贡献。90年代起，各国对光纤

21、电流传感器的研究进一步深入。在 1994年，ABB司研发生 产出了多种电压等级的交流、直流数字光电式光纤电流传感器。NxtPhase公司采用相位 调制原理研制出了全光纤电流传感器，有 230kV和138kVW个电压等级，在正常计量范围准确度高达士 02段12。在1998年，光纤电流传感器通过各种工业性试验，开始商业 生产。2000年5月12日，NxtPhase公司在英国的Ingledow变电站安装了额定电压为230kV的 三相(B)式传感器，第二年10月29日，该公司又在Rolls Royce燃气轮发电站安装了一个 138KV的三相试制系统。该三相NXVC系统的光学器件的性能与传统没备的性能相

22、比：能 够提供从三个高压侧测量 VCT三个低压侧测量CT和三个保护CT接收的所有信息。 NxtPhase公司的3个可以代替9个原有装置。NxtPhase公司计划在今后将安装更多的电压 电流传感器，电压等级将扩展到 765KV13 。相对于国外的情况，国内的研究比较晚，无论从技术上和研究成果来看，都相对于 落后。开始是主要集中在国内一些著名高校，如清华、华中科技大学等，他们首先做大 量的理论研究和实践工作，为推动国内的光纤电流传感器的发展奠定了基础。随着理论 技术的成熟和市场需求的增加，国内一些有实力的集团和厂家开始和高校合作，共同研 制。如沈阳互感器厂、保定天威集团、上互公司等，这些厂家在生产

23、互感方面有着丰富 的经验，并且具有很强大的经济实力和专门的优秀人才，在自主研发和引进国外先进技 术相结合的基础上，最光纤电流传感器进行专门研制和研发。这一时期，推动了我国光 纤电流传感器事业的发展。但是，国内的研究工作还是主要集中在原理性实验性样机的 实现上，一般是从检测方案、信号处理方面来进行研究，还没有触及到如何保持光纤传 感头性能的环境稳定性问题上，在全光纤电流传感器的研究上落后于国外。从整体的发 展来说，现在光纤电流传感器不仅能用于电力系统中电流的测量，同时被用于导弹、飞 机、有人工智能装置的小型炸弹等的导航系， 而且与电机制造厂、 测量仪器仪表厂结合， 还可研制开发出线路事故点的标定

24、装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测 量、诊断装置。对光纤电流传感器的研究不仅具有重要的科研意义，而且在军事、工业 应用上也非常的重要，随着光电技术及其相关技术的迅速发展，光纤电流传感器的应用 前景将日益广阔。1.4 本论文的主要工作本文主要分析光纤电流传感器技术，在深入研究了光纤电流传感器技术的基础之上，重点研理论上研究了反射式光纤电流传感技术。本论文的主要工作如下 :第一章，概述了研究光纤电流传感器的背景和意义，总结了几种光纤电流传感器的 特点，并分析了其在国内外的发展状况。第二章，本章介绍了 Faraday效应的宏观理论；介绍了分析偏振系统的Jones矩阵法；推导了几种主要偏振器

25、件的琼斯矩阵，为系统模型的建立打下基础。第三章，深入地研究了光纤电流传感技术的理论基础，并从偏振态的角度详细的分 析每个物理过程，分析了光的偏振变化；然后利用琼斯矩阵，针对反射式光纤电流传感 器进行了理论上的分析计算。第四章，考虑反射式光纤电流传感器的特性和应用的环境等因素，针对性的对反射 式光纤电流传感器系统的光源、光电探测器、相位延迟器、相位调制器等各个部件进行 了详细的设计，确定了反射式光纤电流传感器器件的选择。最后进行了总结和展望。第2章光纤电流传感器的基本理论及分析方法光纤电流传感器是基于Faraday效应来检测电流大小的光学传感器件。 Faraday效应 是指线性偏振光沿外加磁场方

26、向通过介质时其偏振面发生旋转的现像。Jonei矩阵是研究光的偏振及偏振系统的有效方法14。2.1偏振光光是频率极高的一种电磁波，它的电矢量和磁矢量的方向均垂直于波传播的方向。 光的扰动实际上是光波的电场强度与磁场强度的变化。当光与物质相互作用时，理论和 实验表明，对光检测器起作用的是电矢量而不是磁矢量，所以只需考虑电场的作用，因 此用电矢量来表示光矢量。光波是横波，因此光波具有偏振性。就偏振性而言，光一般可以分为偏振光、自然 光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。线偏振光是指在传 播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化的光，这时在垂直于传播方向的平面 上，光矢量端点

27、的轨迹是一直线。圆偏振光是指在传播过程中，其光矢量的大小不变、 方向规则变化，其端点的轨迹是一个圆。椭圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程 中均规则变化，光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向互相垂 直、相位有关联的线偏振光来表示。设光波沿z轴传播，则光矢量必然在垂直于 z轴的xy平面上振动，则光波可以表 示为：E Ecos(0)(2.1)2.1式中： t kz, 0为初相位。用分量的形式可以表现为Ex = Egxcos(1)Ey = E0yCOs(2)(2.2)Ez=0其中和2分别为x，y分量的初相1位，不同的取值可表示不同的偏振态，令初相位差12，化简公式可以得到：丄E

28、22 xE0x丄2旦且 cos sin2E0 yE0x E0y(2.4)由式（2.3）可知：当2m ,m2m 0, 1, 2.时，为左旋圆偏振光；当 其他情况为椭圆偏振光。2.2偏振的Jones矩阵分析法0 1 2 为线偏振光；当 一2m, ， 22m , m 0, 1, 2.时，为左旋圆偏振光, 2Jones矩阵为偏振光及偏振器件提供了一种最简练的表示方法。利用矩阵运算来推算出偏振器件组成的复杂系统对出射光波状态的改变情况.而不必去追求其中每一个过程的具体物理意义，这就是偏振的琼斯（Jones）矩阵分析法15。2.2.1偏振光的琼斯矢量表示法设偏振光E的两个正交分量的复振幅分别为ia 1(2

29、.4)Ex=a1eia2Ey二a?e矩阵表示法就是用一个称为琼斯矢量的列矩阵来表示偏振光ExEyia1a1eia?a2e(2.5)偏振光的强度是它的两个分量的强度之和，即Ex2Ey2a12a2通常关心的往往是光强的相对变化，因此归一化琼斯矢量可以写为iaa1e2 2a：iaa2e(2.6)(2.7)考虑到偏振态的形状、位置及旋向仅取决于两分量的振幅比a= %，相位差 a2 a1 ,因此归一化琼斯矩阵也可以写为(2.8)6 1昇 a22 ae上式中略去了公共位相因子eia1 .下面是求取偏振光归一化琼斯矢量的例子。（1）光矢量与x轴成B角、振幅为a的线偏振光2表2.1 一些偏振态的琼斯量偏振态琼

30、斯矢量光矢量沿X轴10线偏振光光矢量沿Y轴01光矢量与X轴成45角1 142 1光矢量与X轴成角1 cos42sin圆偏右旋1 172 i振光左旋1 1 忑iEx acos归一化琼斯矢量为Ey a sinExEy(2.9)(2)长轴沿X轴，长短轴之比为2:归一化琼斯矢量为acosasi ncos sin(2.10)1的右旋椭圆偏振光i_Ex 2a Ey ae 2ExEy25a(2.11)同样方法可以写出其它偏振态的琼斯矢量,2a21i ae(2.12)表2.1列出了一些偏振态的归一化琼斯量。通过简单的矩阵运算，可以方便的求出若干个偏振光叠加后新的偏振态，如左右圆 偏振光的叠加E El Er 丄

31、 1 丄 1.2 1L R 2 i 、2 i 0(2.14)结果表明合成波是光矢量沿X轴的线偏振光，其振幅是团偏振光分振幅的 2倍2.2.2正交偏振设任意两个偏振光的琼斯矢量为E1E1xE1yA EB1E2x2E2yAB2(2.14)如果他们满足关系E1 E20即E1xE2xE1 yE2y0(2.15)则表明这两个偏振光是正交的。式（2.15）中，*表示复数共轭。可以证明，任何一种偏振态都可以用一对特定正交偏振态的两个琼斯矢量的线性组合来 表示，即任何一种偏振态均存在着一对正交偏振态。例如，对于任意偏振光E，根据矢量运算法则，可以写成(2.16)即可以用分别在水平与垂直方向振动的一对正交的线偏

32、振光来表示，同时也可以写成A iB光和左旋圆偏振(2.17)表明这一偏振光也可以用一对正交的右旋圆偏振 表示。2.2.3偏振器件的琼斯矩阵表示法偏振光通过偏振器件之后，光的偏振态将发生变化。若入射光的偏振态表示为AE1?，经过偏振器后变为层：G,G2,l Gn,，则偏振器件的线性变换作用可以用一B1个二行二列的矩阵来表示，即有A2g11 g12A（2 .B2g21 g22B1称矩阵g11 g12g21 g22(2.19)为该偏振器件的琼斯矩阵。式中 gn , gi2 , g2i , g22 :般为复常数。上式表明偏振 器件在偏振态转换中起着线性变换作用，新的偏振态的两个分量是原来偏振态两分量

33、的线性组合。下面是求取偏振器件琼斯矩阵的例子17 0图2.1线偏振器坐标系(1)线偏振器的琼斯矩阵设偏振器透光轴与x轴成9角。如图2-1所示建立xy坐标系，入射光在x、丫轴上的两个分量分别为A和B1，将它们在线偏振器透光轴方向上 投影。入射光通过线偏振器后，A和B1沿透光轴方向的分量A1 cos和B1 cos将这两个分量的组合在x，丫轴上再一次投影，得到出射光的两个分量A2和B2，即A2(A-i cosB1 sin)cos2A, cos1B, sin 2B2(A-i cosB1 sin)sin1A sin 222B, sin(2.20)2比较式(2-20)、(2-18)，可得线偏振器的琼斯矩阵

34、为2 cos2sin2si n22.2sin(2.21)图22 波片偏振坐标系 波片的琼斯矩阵设波片的快轴与X轴成确，产生的相位差为抗如图2.2建立坐标系。取入射偏振光为AB，则两分量在波片快、慢轴上的分量和为A A cosBA sinB1 sinB1 cos或表示为1AA10 A1BB ei0e B从波片出射时，必须考虑快、慢轴上分量的相对相位延迟，于是以上两分量变为A Ab B ei或表示为A1 0 AB0 ei B(2.22)(2.23)(2.24)(2.25)这两个分量再分别在X，丫轴上投影，得到出射光琼斯矢量在 X，丫轴上的两分量分别为A A cos B sinB2A sin B c

35、os(2.26)或表示为A2cos sin AB2 sin cos B代入各量得(2.27)AcosB2sin整理后，得到波片的琼斯矩阵为sin1cos 00 cos sin esin cosAB(2.28)1itg -cos2itg sin 2G cos-22(2.29)2itg sin 21 itg cos22 2用类似方法推出一些重要偏振器件的琼斯矩阵表 2.2中所列。2.2.4偏振光系统的琼斯矩阵分析法利用琼斯矩阵可以方便的计算通过任意偏振器件后的光的偏振态。如果偏振光相继通过.v个偏振器件，它们的琼斯矩阵为 Gi,G2,L Gn,则出射光的琼斯矢量为Eo GnL L GzGEj(2.

36、30)(2.30)式中，矩阵相乘的次序不能颠倒。(2.30)式是分析偏振系统的一种方便的方法，本 文在下一章建立系统模型时主要采用该方法。2.3 Faraday 效应1864年，法拉第发现，当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应，通常又称为法拉第效应。其原理示意图如 图2-3-1所示。入射光介质透射光(线偏振)图2.3 法拉第效应原理图法拉第效应的本质为磁致圆双折射，即圆偏振光经过法拉第效应后相位发生变化。 因为线偏振光可以表示为正交的两束左旋和右旋的圆偏振光的叠加，则立方晶体或各向同性材料的法拉第效应，其旋转角取决于沿磁场方向传播的左旋圆偏

37、振光与右旋圆偏振光的折射率之差。表2.2偏振器件的琼斯矩阵偏振态琼斯矢量线偏振器光矢量与X轴成角21 - Qcossin 22-si n2sin21/4波片快轴沿X轴1 00 i快轴沿Y轴i 00 1快轴沿X轴成45角11i i-4e 血i 1一般波片快轴沿X轴1 00 d快轴沿Y轴ei001快轴沿X轴成45角1mitg _cos-2 e22 mitg $1圆起偏器右旋1 1 i2 i 1左旋1 1 i2 i 1反射元件rp 0 0rp采用琼斯矩阵分析如下：入射的线偏振光表示为左、右旋圆偏振光之和Ein E01Eo 102 iEo(2.31)这两束圆偏振光经过材料后出射，光程为L,相对于入射光

38、来说，光波有一个相移2 nl/ ，因此，出射光波为其中:E Eout2i2 nJ/三 1 e i nrl/2 i(2.32)nl为左旋圆偏振光的折射率,Or为右旋圆偏振光的折射率。式(2.32)可以改写为则将、Eouti2 (n nr)l/22 (nei2(nnr)l22 m nJ2代入式(2.33 )并化简得EoutE0enr )1/2(ninJ(ninjli2 (n nr)l/2(2.33)(2.34)(2.35)i cossin(2.36)由式(2.36 )可知出射光仍然为线偏振光，只是偏振角旋转了0而又法拉第效应可知：旋转角与外磁场符合以下关系V H ?dl(2.37)其中V为费尔德(

39、Verdet)常数，它的大小受光源波长和环境温度的影响;H为磁场强 度;L为光束在介质中通过的距离。当光行进的路线围绕载流导体闭合时，根据安培环路定律式(2.37)可变为一环路积分：V H?dl=VI(2.38)L若线圈为N圈时，其结果为：NV H ?dl=NVI(2.39)L由此可以知道，积分的结果只和电流有关。需要注意的是，式(2.39)成立的条件为18:(1)线偏振光的偏振态能够保持不受磁场以外的外界条件影响，即保持线偏振而不转变为椭圆偏振光 ;(2) 线偏振光行进的路线为闭合环路。只有同时满足这两个条件，式 (2.39) 才成立。2.4 本章小结本章首先对光纤电流传感器的理论基础进行了

40、全面的分析， 介绍了 Faraday 效应的 宏观理论；介绍了分析偏振系统的 Jones 矩阵法；推导了几种主要偏振器件的琼斯矩阵， 为系统模型的建立打下基础。第 3 章 反射式光纤电流传感器模型设计前面介绍的相位调制型光纤电流传感器的主要的缺点有： 光纤固有双折射引起的光 偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角，因此测量的精度就降低。针对这样的情况，主 要有两中解决方式：一是改善光纤的固有双折射，而是设法增大法拉第转角。改善光纤 的固有折射率上节中已经提出了方法，在本章中，主要是提高法拉第转角。当光波通过 置于磁场中的法拉第旋转器时，迎着外加磁场磁感应强度方向观察，光波的偏振方向总 是沿与磁场

41、（H） 方向构成右手螺旋的方向旋转，而与光波的传播方向无关。当光波沿正 向和沿反向两次通过法拉第旋转器时，其偏振方向旋转角将是迭加而不是抵消，此即法 拉第效应的旋向不可逆性，称之为非互易旋光性。利用法拉第效应的非互易性，对上述 结构作出改进，即反射式光纤电流传感器模型。3.1 结构设计图 3.1 为反射式光纤电流传感器的基本结构， 光源发出的光经单模光纤传输后被送 至起偏器，成为线偏振光，通过 45 度熔接点分成偏振方向相互垂直的两束光，再经过 1/4 波片入射光转换为两个旋向相反 （ 左旋和右旋 ）的圆偏振光，进入传感区域，经过一 次法拉第效应后，到达反射镜，发生反射，它们的偏振态在反射时发

42、生了交换，即原左 旋光变成了右旋光，原右旋光变成了左旋光。经过反射后的圆偏振光按原路返回，再次 经法拉第效应，然后通过 1/4 波片转换回线偏振光，经过反射的光携带了相位差信息经 过祸合器被传送至光电探测器。在整个过程中，两束光都经历了保偏光纤的两个轴和传 感光纤的左旋和右旋模式，所以光路是完全互易的。相位差取决于在传感区域的磁场大 小。又由于两束光都经历了两次法拉第效应，因此其相位差为 4 倍的法拉第相移。这种 结构的光纤电流传感器，在其他同等条件下，灵敏度是前面介绍的偏转型光纤电流传感 器的 4倍，相位调制型光纤电流传感器的 2 倍。反射结构的返回光波在经反射镜返回至线圈时，偏转光旋转了9

43、0。，使正反通过光纤线圈的偏振光相互正交，从而使得光纤中的附加线双折射相互抵消，而法拉第效应是 非互易的，所以光波正反两次通过光纤圈时，法拉第旋转效应不会相互抵消，反而加倍 了，所以这种结构不但能够减少光纤线性双折射的影响，还能够使法拉第效应加倍; 反射结构的两束干涉光在同一根光纤中传输，因此能够降低外界因素 （如温度、压力等 ） 的 干扰，且不受 sganac 效应的影响。另外反射结构使用的器件相对较少、容易搭建，因 此与偏振旋转型和相位调制型结构相比反射结构具有灵敏度高、抗干扰能力更强、稳定 性好等优点。图3.1 反射式全光纤电流传感器的基本结构但是反射结构在实际应用中，由于两束正交偏振光

44、波在同一根光纤中传输且同时受 到调制，因此必需使用双轴调制器，通常可将保偏光纤绕在压电陶瓷筒（PZT）上制成相位调制器，当PZT加上调制信号时，沿保偏光纤两个正交轴传播的线偏振光将引入与调 制信号变化规律相同的相位差。3.2反射式光纤电流传感器的偏振态分析为了更进一步的分析反射式光纤电流传感器的原理，对通过其光信号的偏振态的变 化进行分析，如图3.2所示。图3.2 反射式光纤电流传感器中光的偏振态变化光源发出的光通过起偏器 P后变为线偏振光，经过45度熔接点后分解成偏振方垂 直的两束光，这两束光经法拉第效应后产生了一定的相位差，返回时再次被45度熔接点分光，使得到达起偏器P有四束光，因此可以把

45、第一次通过 P的光看成是1、2、3、4 四束光波的合成，经过45度熔接点时1、3路光沿光纤快轴传播（x偏振），2、4路沿光 纤慢轴传播（y偏振），它们同时经过相位调制器，因此1、3路和2、4路光相位分别受到x（1 ）和y（1 ）的相位调制，其中为光路传输时间。经反射，1、3和2、4交换快慢轴，因此受到的调制分别为x（t）和y（t）。输出时1、2路光的相位差为：x(1)y(t)y(1)x(t)(3.1)3.3反射式电流传感器的琼斯矩阵分析应用Jones矩阵对反射式电流传感器进行分析。 设入射光为：(3.2)起偏器透光轴与x轴成45。4相位延时器的快、慢轴与参考坐标系的 X轴、Y轴分别与重合。在理

46、想情况下，各个器件的琼斯矩阵为：起偏器：Gp11 1(3.3)21 145度熔接点：111G45211(3.4)调制器（返回时）：ei x t0Gmodoutit(3.5)0ei yt1/4波片：101 0G 4i-(3.6)0e20 i法拉第效应（返回时）：cossinG fout(3.7)sincos反射镜：10Gmir01(3.8)法拉第效应（入射时）:Gfincos sinsin cos调制器(入射时)：i x t e0Gmodi n0ei y1调制器(返回时)：ex t0Gmodi n0ei y(3.9)(3.10)(3.11)首先分析在没有调制器时的理论输出，则由琼斯矩阵分析法，可

47、以得到输出光为：Eout GpG45G 4GfoutGmir GfinG Z4G45GpEin(3.12)输出光强lout为:I outEout2Im丄 cos 42(3.13)式(3-13)中：为法拉第转角，=VNI。这就是反射型光纤电流传感器的理想模型。正比。在实验中，相位差值传感器的响应是和相位差的余弦函数成都很小，响应函数处在最不敏感的区域内，为了提高测量的准确度，通常要进行相位调制。加入相位调信号后，输出光为：Eout GpG45GmodoutG 4GfoutGmirGfinG 4GmodnG45GpEin(3.14)输出光强为：I outEout21 cos240COSCOS40(

48、3.15)在理想情况下，若设调制信号为:x ty t式中：m为调制信号的幅度；tm为调制信号的频率。2丄-2t tm COSmt(3.16)(3.17)则输出光强可以表示为:I out 巴 1 coscos2 山12Imcos m cos mt 4x t 402由贝塞尔函数可知:cos 4 cos m cosmtsin 4sinm cos mtiz cos e-nni Jn Zcos式中:1, n2 n 1,2, L(3.18)(3.19)(3.20)由式(2.19)比较两边实部和虚部可以知道:cos zcosn1 J2n z cos 2n(3.21)sin zcosn1 J2n 1 z co

49、s 2n 1(3.22)设z=cosm cosmtcos zcosnn1 J2nm cos 2n mtn 0(3.23)sin 4 sin mcos mtn1n cos 4 cos m cos mtJ2nm cos 2n mt cos 4I mn 02n2n1J2n 1m cos2n 1mt sin 4n 0心12J0m2J12J2m cos 2 mt cos 4L(3.24)输出光强就可以表示为：I址out亠21 cos4 cosm cosmtsin4sinmcos mt1nn1J2nmcos2n mtcos4Imn 02n2n12n 1mcos2n 1mtsin4Im 1Jom2J2m C

50、OS 2mt cos 4L(3.25)22Jim cosmt sin 42J3 m cos 3 mt sin 4L由式(3.23)知：COSmt项的幅值为：A 1 mJim sin4(3.26)当相位调制器信号的最佳调制深度m确定以后，一阶贝塞尔函数Ji m为常数,只要从输出信号中得到A的值，就可以求得法拉第转角 值。3.4本章小结本章设计了反射式光纤电流传感器模型，提高了光纤电流传感器的灵敏度，并从偏 振态的角度详细的分析每个物理过程，然后利用琼斯矩阵，针对反射式光纤电流传感器 进行了理论上的分析计算，得出了反射式电流传感器的数学模型。第4章反射式光纤电流传感器器件的选择反射式电流传感器具有

51、灵敏度高、受外界干扰影响小、稳定性能好等优点。在第二 章中对反射式光纤电流传感器进行了建模。 本章将针对反射式电流传感器模型中的各个 器件进行设计和选择。4.1光源光源是光纤电流传感器不可缺少的部分之一。其性能的好坏直接影响着整个系统的技术指标。光源的作用是将电信号转换为光信号功率，实现电光的转换，以便在光纤中传输。 由于光纤传感器的工作环境特殊，要求光源的体积小，便于和光纤祸合等。光源发出的 光波长应适合要求，以减少在光纤中的能量损失。光源要有足够的亮度。在相当多的光 纤传感器中还对光源的相干性有要求。此外要求光源的稳定性好，能在室温下连续长期 稳定地工作，还要求光源的噪声小、使用方便等。同

52、时对于全光纤电流传感器，其信号 通常要通过通信光纤传输至控制室遥测或监视，所以传输的信号要调制在通信光纤的低 损耗窗口波长上。在选择光源的时候，只有清楚地知道了各种光源的特性，才能从中选出适合反射式 光纤电流传感器的光源。目前光纤传感系统中常用的光源主要有：半导体激光器LD半导体发光二极管LED 放大自发辐射ASE光源和半导体分布式反馈激光器 DFB等。如表4.1，常用光源及特性， 其中前面两种白炽光源和发光二极管属于非相干光源，后面的六种属于相干光源。表4.1光纤传感系统中常用光源及特性名称特性描述及应用白炽光源米用某种宽带光源谱滤波的传感器发光二极管(LED)20 nm的短波相干长度，用于非相干测量传感